Die Erfindung betrifft eine Punktstrahl-Rotationsdüse nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
Rotationsdüsen der in Rede stehenden Art sind seit längerem bekannt
(DE-PS 24 15 146). Der Turbinenläufer treibt dabei über ein Untersetzungsge
triebe, das zumeist als Planetengetriebe ausgeführt ist, eine Düsenspitze
bzw. einen Düsenkopf mit einer relativ langsamen Drehzahl an. Die Düsenspitze
bzw. der Düsenkopf tritt durch eine in einer Stirnplatte des Gehäuses ange
ordnete, zum Turbinenläufer koaxiale Öffnung zapfenartig aus. Der von der
Düsenspitze gebildete Zapfen ist dadurch gegenüber dem Gehäuse gegen den Aus
tritt von unter Druck stehender Flüssigkeit, insbesondere von Wasser abgedich
tet, daß hier ein relativ enger Spalt vorliegt, also eine Art Spaltdichtung
realisiert ist. Mitunter ist zusätzlich noch auf der Innenseite des Gehäuses
um die Düsenspitze herum ein elastischer Dichtungsring, meist ein üblicher
O-Ring, gelegt. Die bekannten Rotationsdüsen dieser Art sind hinsichtlich
der Wasserführung für hohe Strömungsgeschwindigkeiten und hinsichtlich der
Abdichtung für hohe Drücke in erheblichem Maße verbesserungsfähig. Außerdem
sind die bekannten Konstruktionen unter den Anforderungen einer modernen Pro
duktion in großen Stückzahlen zu kompliziert aufgebaut und zu teuer.
Im übrigen sind bekannt auch Punktstrahl-Rotationsdüsen mit einer direkt mit
dem Turbinenläufer gekuppelten Düsenspitze (DE-OS 31 50 879, DE-OS 34 19 964).
Hier rotiert die Düsenspitze mit hoher Drehzahl, so daß sie gegenüber dem Ge
häuse ausschließlich durch eine Spaltdichtung im Wasseraustritt abgedichtet
sein kann, da zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen zu einer zu starken, unkontrol
lierten Bremswirkung führen würden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte, eingangs erläuterte
Punktstrahl-Rotationsdüse mit Getriebe hinsichtlich der Wasserführung zu
verbessern, konstruktiv zu vereinfachen und kostenmäßig zu optimieren.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils
von Anspruch 1 gelöst. Dadurch wird erreicht, daß der Strahl schon vor Ein
tritt in den Wasser-Strömungskanal in der Düsenspitze in einer relativ langen
Beruhigungsstrecke beruhigt wird. Außerdem wird dadurch erreicht, daß das Ge
triebe nicht mehr so stark wie bisher und vor allem nicht mehr funktionsnot
wendig von Wasser durchströmt, aber auch nicht kompliziert von Wasser um
strömt wird.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsge
mäßen Lehre ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellen
den Zeichnung in allen Einzelheiten erläutert. Dabei werden auch weitere be
vorzugte Ausgestaltungen noch im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Hochdruck-Reinigungslanze mit
Punktstrahl-Rotationsdüse,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Punktstrahl-
Rotationsdüse im Schnitt und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Punktstrahl-
Rotationsdüse im Schnitt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Hochdruck-Reinigungslanze 1, an deren Kopf ei
ne Punktstrahl-Rotationsdüse 2 angebracht, insbesondere angeschraubt ist. Die
Hochdruck-Reinigungslanze 1 umfaßt, wie üblich, ein abgewinkeltes Sprührohr 3
mit einem dem Berührungsschutz dienenden Zusatzhandgriff 4 und einer Ventil
pistole 5, an die dann am hochdruckseitigen Ende ein Hochdruckschlauch 6 an
gekuppelt ist. Der Hochdruckschlauch 6 führt zu einem nicht weiter darge
stellten Hochdruckreinigungsgerät mit Pumpe, Chemikalienvorrat, ggf. Heizvor
richtung usw.. Die Erfindung betrifft die in Fig. 1 dargestellte Punktstrahl-
Rotationsdüse 2.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung der Punktstrahl-Rotationsdüse 2 aus
Fig. 1. Es handelt sich hier um eine Punktstrahl-Rotationsdüse 2 für ein
Wasserstrahl-Hochdruckreinigungsgerät. Diese Punktstrahl-Rotationsdüse 2
weist zunächst ein druckfestes Gehäuse 7 auf, das insbesondere aus Metall
besteht. Das Gehäuse 7 ist hier kreiszylindrisch ausgeführt und weist an
einer Stirnseite einen Wassereintritt 8 und an der anderen Stirnseite ei
nen Wasseraustritt 9 auf. Der Wassereintritt 8 ist als Gewindestutzen mit
Innengewinde zum Einschrauben einer Filterpatrone und mit Außengewinde zum
Einschrauben in das Sprührohr 3 ausgestaltet. Der Wasseraustritt 9 befin
det sich in einem besonders ausgestalteten, axialen Mittelbereich einer das
Gehäuse 7 verschließenden Stirnplatte 10, die gleichfalls aus Metall be
steht und im Gehäuse 7 mittels eines in eine Nut 11 eingesetzten Spreng
rings 12 festgelegt ist. Die Stirnplatte 10 ist gegenüber dem Gehäuse 7 über
ein in eine Nut 13 eingelegtes, umlaufendes Dichtungselement 14, hier einen
O-Ring, abgedichtet.
Das unter hohem Druck durch den Wassereintritt 8 in das Gehäuse 7 eintreten
de Wasser wird im Gehäuse 7 bei möglichst geringem Druckverlust so umgelenkt,
daß eine Rotationsbewegung bestimmter Teile erzeugt werden kann. Dazu kann
das Gehäuse 7 selbst mit entsprechend ausgestalteten Kanälen versehen sein.
Herstellungstechnisch und anwendungstechnisch zweckmäßiger ist es aber, wenn,
wie im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt, im
Gehäuse 7 ein stationärer, vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Wasser
lenkkörper 15 vorgesehen ist. Der Wasserlenkkörper 15 weist in bestimmter
Weise verteilte Strömungskanäle 16 für das Wasesr auf, die so gerichtet sind,
daß sie passend in radialer Richtung auf die Turbinenschaufeln 17 eines Tur
binenläufers 18 treffen, der im Wasserlenkkörper 15 drehbar gelagert ist.
Der Wasserlenkkörper 15 und der Turbinenläufer 18 bestehen vorzugsweise aus
einem verschleißarmen Kunststoff.
Im Gehäuse 7 drehbar gelagert ist ferner ein Düsenkörper 19, der im hier dar
gestellten Ausführungsbeispiel aus Metall besteht. Zur drehbaren Lagerung
des Düsenkörpers 19 dient ein extrem leichtlaufendes Kugellager 20, das
gleichzeitig für eine Fixierung des Düsenkörpers 19 in radialer Richtung
im Gehäuse 7 sorgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Kugel
drucklager 20 aus einer in der Stirnplatte 10 eingelassenen Lagerschale 21,
einer komplementären, im Düsenkörper 18 eingelassenen Lagerschale 22 und
einem dazwischen liegenden Kugellagerring 23 mit Kugeln aus weitestgehend
verschleißfestem Material. Am Düsenkörper 19 ist eine Düsenspitze 24 ausge
bildet, die einen geneigt und exzentrisch zur Rotationsachse liegenden Was
ser-Strömungskanal 25 aufweist, der im Wasseraustritt 9 mündet. Die um die
Rotationsachse rotierende Düsenspitze 24 erzeugt einen entsprechend rotie
renden, aus dem Wasser-Strömungskanal 25 mit hohem Druck austretenden Punkt
strahl.
Zwischen dem Turbinenläufer 17 und der Düsenspitze 24 bzw. dem Düsenkörper
ist ein Getriebe 26 vorgesehen, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
in einer im Stand der Technik üblichen Weise als Planetengetriebe mit Sonnen
rad 27, Planetenräder 28 und Außenrad 29 ausgeführt ist. Der Düsenkörper 19
stellt hier gleichzeitig den Planetenradträger 30 für die Planetenräder 28
des Getriebes 26 dar. Durch das Getriebe 26 wird die hohe Drehzahl des Tur
binenläufers 17 auf eine geringere Drehzahl der Düsenspitze 24 herunterge
setzt und gleichzeitig wird die an der Düsenspitze 24 zur Verfügung stehen
de Kraft erhöht. Bei einem Planetengetriebe ist leicht eine hohe Untersetzung
zu erreichen, bei anderen Getrieben ist die Untersetzung geringer.
Die Düsenspitze 24 befindet sich vollständig innerhalb des Gehäuses 7, weist
also keinen zapfenartig in den Wasseraustritt 9 abdichtend eintretenden Teil
auf. Vielmehr wird die Abdichtung der Düsenspitze 24 gegenüber dem Gehäuse 7
im Bereich des Wasseraustritts 9 dadurch erzielt, daß an der Innenseite des
Gehäuses 7 um den Wasseraustritt 9 herum eine Dichtungsfläche 31 ausgebildet
ist und die Düsenspitze 24 von einem hülsenartigen Dichtungselement 32 mit
an der Dichtungsfläche 31 stumpf anstoßender Dichtungskante 33 umgeben ist.
Auf der von der Dichtungsfläche 31 abgewandten Seite des Dichtungselements 32
ist ein elastischer Dichtungsring 34 angeordnet, der das Dichtungselement 32
mit einer geringen, aber ausreichenden Anfangskraft gegen die Dichtungsflä
che 31 drückt. Der Dichtungsring 34 kommt einerseits an der Düsenspitze 24
abdichtend zur Anlage, liegt andererseits am Dichtungselement 32 abdichtend
an. Das Dichtungselement 32 besteht aus verschleißarmem Kunststoff mit vor
zugsweise selbstschmierenden Eigenschaften, z. B. Polyacetal, Polyamid, Poly
tetrafluoräthylen od. dgl.. An der Düsenspitze 24 befindet sich im Abstand von
der Dichtungsfläche 31 eine zu der Dichtungsfläche 31 parallele Abstützflä
che 35 für das Dichtungselement 32 bzw. hier für den Dichtungsring 34.
Im Bereich des Düsenkörpers 19, des Kugellagers 20, der Düsenspitze 24 und
des Dichtungselements 32 herrscht im Betrieb an sich ein allseitiger Druck
ausgleich. Lediglich für die senkrecht zur Längsachse liegende Querschnitts
fläche der Düsenspitze 24 gilt dies nicht. Die Differenz der Querschnitts
flächen von Düsenspitze 24 und Wasser-Strömungskanal 25 ist nicht durckaus
geglichen, so daß aus dem im Gehäuse 7 herrschenden Wasserdruck eine in axia
ler Richtung aus dem Gehäuse heraus gerichtete Kraft auf die zuvor genannten
Teile resultiert. Die Wirkungsrichtung dieser Kraft ist gerade so, daß sie
die Andruckkraft des Dichtungselements 32 an der im wesentlichen senkrecht
zur Längsachse liegenden Dichtungsfläche 31 verstärkt. Die Dichtkraft der
hier realisierten Stirnkantendichtung wächst also von selbst wunschgemäß
mit ansteigendem Wasserdruck. Der elastische Dichtungsring 34, der nur auf
Druck beansprucht wird, wirkt hier als Druckausgleichselement, ist selber
aber im übrigen keinerlei Verschleiß ausgesetzt, da er sich gemeinsam mit
dem Dichtungselement 32 und der Düsenspitze 24 dreht. Die in Fig. 2 darge
stellte Konstruktion zeichnet sich also durch eine vorzüglich wirksame Stirn
kantendichtung der Düsenspitze 24 im Bereich des Wasseraustritts 9 aus, wobei
diese Stirnkantendichtung sogar selbstverstärkende Eigenschaften aufweist.
Generell gilt im übrigen, daß das hülsenartige Dichtungselement auch integra
ler Teil des Düsenkörpers bzw. der Düsenspitze sein kann, das Dichtungselement
muß also nicht zwingend ein separates Teil sein. Dann müßte die Dichtungsfläche
unmittelbar an der insoweit mit entsprechend größerem Durchmesser versehenen
Düsenspitze angeordnet bzw. ausgebildet sein. Diese Konstruktion hätte aller
dings den Nachteil, daß bei der Auswahl des Materials für die Düsenspitze ver
schleiß- und gleittechnische Aspekte mit berücksichtigt werden müßten.
Während die bei Punktstrahl-Rotationsdüsen ohne Getriebe verwirklichte Spalt
abdichtung große Toleranzprobleme mit sich bringt, hat die stirnseitige Ab
dichtung insoweit keinerlei Schwierigkeiten. Die Dichtungsfläche 31 kann ins
besondere dabei an der Stirnplatte 10 ausgebildet sein. Will man material
mäßig bei der Stirnplatte 10 keine Beschränkungen hinnehmen, so kann die
Dichtungsfläche 31 ohne weiteres als Auflage- oder Einlagekörper, als Be
schichtung, Plattierung od. dgl. an der Stirnplatte 10 ausgeführt sein. Da
durch läßt sich die Gleitreibung der Dichtungskante 33 des Dichtungsele
ments 32 auf der Dichtungsfläche 31 minimieren, ohne die Abdichtung zu be
einträchtigen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Dichtungsele
ment 32 allein durch die am Innenumfang auftretende Haftreibung von der Dü
senspitze 24 mitgenommen. Je nach dem Druckzustand im Gehäuse 7 kann sich
eine Gleichgewichtssituation einstellen, bei der das Dichtungselement 32 mit
einer etwas langsameren Geschwindigkeit dreht als der Düsenkörper 19. Es
gibt dann eine Dreh-Relativbewegung zwischen dem Dichtungselement 32 und dem
Düsenkörper 19, die verschleißmäßig negativ auf den Dichtungsring 34 wirken
kann. Da dieser Dichtungsring normalerweise als O-Ring aus Gummi ausgeführt
sein soll, ist dieser Verschleiß schädlich. Dieses Problem beseitigt das
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, und zwar dadurch, daß das hülsenartige Dich
tungselement 32 an dem von der Dichtungsfläche 31 abgewandten Ende mindestens
einen, vorzugsweise zwei Mitnehmerzapfen 36 und der Düsenkörper 19 eine zu
den Mitnehmerzapfen 36 korrespondierende Mitnehmernut 37 aufweist und das
Dichtungselement 32 durch die in die Mitnehmernut 37 eingreifenden Mitneh
merzapfen 36 drehfest mit dem Düsenkörper 19 gekuppelt ist. Die drehfeste
Kupplung gewährleistet, daß der Dichtungsring 34 nur auf Druck, nicht aber
durch eine Drehbewegung verschleißmäßig beansprucht wird.
Man kann den Düsenkörper 19 insgesamt aus Metall herstellen, wie das in
Fig. 2 gezeigt ist, man kann aber auch, herstellungstechnisch einfacher und
wesentlich kostengünstiger, die Düsenspitze 24 als vom Düsenkörper 19 ge
trenntes Bauteil ausführen und fest in den Düsenkörper 19 einsetzen, der sei
nerseits dann aus Kunststoff bestehen kann. Der Einsatz erfolgt im in Fig. 3
dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Preßsitzes. Man kann den Dü
senkörper 19 aber insoweit auch um die in eine Spritzform eingelegte Düsen
spitze 24 aus Metall herumspritzen.
In Fig. 3 ist nun gezeigt, daß der Wasser-Strömungskanal 25 in der Düsenspit
ze 24 durch einen koaxial zur Mittelachse der Düsenspitze 24 angeordneten, im
Düsenkörper 19 oder in einem gesonderten, in den Düsenkörper 19 eingesetzten
Strahlführungskörper 38 ausgebildeten Beruhigungskanal 39 in Richtung des
Wassereintritts 8 bis jenseits des Getriebes 26 in den Bereich des Turbinen
läufers 18 verlängert ist. Diese Maßnahme hat den großen Vorteil, daß das
Wasser innerhalb der Rotationsdüse 2 vor Eintritt in den eigentlichen Wasser-
Strömungskanal 25 in der Düsenspitze 24 schon eine Beruhigungsstrecke erheb
licher Länge laminar durchströmt, wodurch die Strahlqualität ganz erheblich
verbessert ist. Gleichzeitig wird mit dieser direkten strömungsmäßigen Ver
bindung zwischen dem Bereich des Turbinenläufers 18 und der Düsenspitze 24
erreicht, daß das Getriebe 26 nicht, jedenfalls nicht bestimmungsgemäß, von
Wasser durchströmt wird. Jedenfalls wird durch das Getriebe 26 unweigerlich
strömendes Wasser gezwungen, am Strahlführungskörper 38 in Richtung des Was
sereintritts 8 zurückzuströmen und dann in das hintere Ende des Beruhigungs
kanals 39 einzutreten. Das Auftreten unnötiger Turbulenzen und die damit ver
bundene Verschlechterung des Wirkungsgrads ist sehr merklich, das wird hier
mit vermieden.
Weiter werden störende Turbulenzen dadurch vermieden, daß der Strahlführungs
körper 38 im dargestellten Ausführungsbeispiel gegenüber dem Düsenkörper 19
abgedichtet ist. Wenn an der Übergangsstelle zwischen Strahlführungskörper 38
und Düsenspitze 24 noch seitlich Wasser einströmen könnte, was bei anderen
Konstruktionen durchaus denkbar ist, würde die gute Strahlqualität am Aus
tritt des Beruhigungskanals 39 zum Teil wieder zunichte gemacht.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahlführungskörper 38
konkret als gerades Rohrstück ausgeführt, besteht insbesondere auch aus ver
schleißarmem Kunststoff und ist tief in den Düsenkörper 19 versenkt. Kon
struktiv sehr elegant ist dabei die Lösung, daß der Strahlführungskörper 38
koaxial durch die zu diesem Zweck hohle Lagerachse des Sonnenrades 27 des
Planetengetriebes 26 geführt ist. Das Sonnenrad 27 des Planetengetriebes 26
ist dabei im dargestellten Ausführungsbeipiel integraler Bestandteil des
Turbinenläufers 18, nämlich einstückig mit diesem ausgebildet. Durch die
mittige Bohrung tritt dann der Strahlführungskörper 38 hindurch. Bei an
deren Getrieben 26 wäre es entsprechend eine Lösung, wenn der Strahlfüh
rungskörper 38 die Mittelachse bilden würde.
Für die Beeinflussungsmöglichkeiten des Punktstrahls, also für die Strahl
qualität und für die Strahlform ist auch noch von Bedeutung, daß im Inneren
des Beruhigungskanals 39 ein Strahlformerelement 40 angeordnet ist. Im hier
dargestellten Ausführungsbeispiel gilt, daß das Strahlformerelement 40 als
im Querschnitt kreuzförmiges bzw. allgemein sternförmiges, vorzugsweise in
Längsrichtung des Beruhigungskanals 39 verschiebbares Einsatzstück ausge
führt ist, wobei das Strahlformerelement 40 etwa gleich lang wie der Beruhi
gungskanal 39 ist. Durch Vorschieben oder Zurückziehen des Einsatzstücks ge
genüber dem Beruhigungskanal 39 und auch durch Auswechseln des hier darge
stellten, kreuzförmigen Strahlformerelements 40 gegen ein dreisternförmiges
Strahlformerelement läßt sich der austretende Punktstrahl in weiten Grenzen
beeinflussen.
Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt im übri
gen, daß das dem Wassereintritt 8 zugewandte Ende des Beruhigungskanals 39
etwa in Höhe der dem Wassereintritt 8 zugewandten Stirnfläche des Turbinen
läufers 18 liegt. Bei dieser Anordnung wird das Wasser nach Durchströmen der
Turbinenschaufeln 17 des Turbinenläufers 18 zunächst mit einer axialen Strö
mungskomponente in Richtung des Wassereintritts 8 strömen und dann erst um
gelenkt und in den Beruhigungskanal 39 hineingeleitet. Das hat strömungs
technisch einen günstigen Einfluß. Diese günstige Situation im Bereich des
Turbinenläufers 18 wird noch dadurch verbessert, daß im Wasserlenkkörper 15
und innerhalb des Turbinenläufers 18 eine großvolumige Umlenk- und Beruhi
gungskammer 41 ausgebildet ist. Trotz relativ turbulenzarmer Strömung in der
Umlenk- und Beruhigungskammer 41 ist das Auftreten von Pulsationen nicht
auszuschließen, wofür im hier dargestellten Ausführungsbeispiel Vorsorge
getroffen ist dadurch, daß im Wasserlenkkörper 15, insbesondere an dem dem
Wassereintritt 8 zugewandten Ende, eine von der Umlenk- und Beruhigungskam
mer 41 ausgehende Pulsationsdämpfungskammer 42 ausgebildet ist.